论文部分内容阅读
摘 要：为了适应分散剑麻种植农户加工的需要，文章设计了一种新型的剑麻刮麻机。通过对研制的6JMG-500小型刮麻正交试验确定影响刮麻性能的主要因素是动刀数量、动刀高度、动刀线速度。对刮麻性能影响程度大小依次是动刀数量、动刀高度、动刀线速度。并进一步通过单因素对比试验和优化结构等确定6JMG-500小型刮麻机基本结构和主要参数为：刀辊直径为500 mm、刀辊宽度为700 mm、定刀板的包角约为30°、动刀与定刀之间间隙为2.5～3.0 mm、动刀数量12把、动刀高度35 mm、动刀线速度24.5 m/s。
关键词：剑麻纤维；刮麻机；刀辊；试验
中图分类号：S226.79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0036-02
剑麻是一种常见的龙舌兰属植物，是多年生叶纤维的热带作物。原产于中美洲的热带、亚热带地区，具有喜温耐旱、生长适应性强、收获期长等特点。作为多年生叶纤维作物，剑麻是当今我国用量大、范围很广的一种硬质纤维。广泛应用于渔航、工矿、运输等行业所需的各种规格的绳缆、钢丝绳芯、抛光轮布、地毯、纸桨、电容纸桨等。同时，利用剑麻加工纤维后的废渣可提取剑麻皂素，是甾体药物的重要原料。我国是剑麻的主要生产国之一，主要分布在广东、广西、四川、云南、福建、海南等热带和亚热带地区，经过几十年的发展，国内剑麻已形成较大规模，剑麻纤维产量已位居世界第2位。
剑麻的初加工机械早于20世纪70年代中期，我国已形成大型机械刮麻加工生产线，日加工量约200 t左右。主要加工设备包括排麻输送机、齐头机、刮麻机、纤维压水机、纤维抛光机、纤维干燥设备、纤维打包机及乱纤维回收机等。大型刮麻机生产线，适合于剑麻种植面积大和较集中的生产基地，进行专业化生产。而小型刮麻机具有结构合理、简便紧奏、移动方便、不受高压电线路的限制、造价低，纤维制得率高，作业成本相对较低，而深受个体分散农户的欢迎。当前，非常适宜山区和分散剑麻、番麻种植农户需求。现对设计的6JMG-500型剑麻刮麻机的结构特点进行分析，对其试验进行总结。
本机械适用于加工剑麻、番麻鲜叶片，长度约600～1 400 mm。
1 材料与方法
1.1 6JMG-500型剑麻刮麻机结构特点
6JMG-500型剑麻刮麻机的结构：只要由机架、电动机（或柴油机）、定刀板、刀辊、刀轮罩等组成。主要工作部件为刀辊和定刀板，刀辊是由等距离排列的动刀用螺栓紧固在圆筒体上。动刀主要起打击、振动和刮削作用。定刀板为弧形状弯板，其结构特点是定刀板采用一定弧形状弯板代替传统的直角板，并保证与动刀圆弧相配合。使叶片在刮麻时能被均匀、连续地打击、振动。避免了传统上所采用的直角板，直角板只能在直角位置被打击，但存在振动不足的弊端。并增加叶片被打击的次数，减少动刀对叶片的刮削力，加工纤维不易断裂，提高纤维制得率。
1.2 工作过程和刮麻原理
刮麻时，操作人员紧握住剑麻叶片稍部一端，将基部一端沿刀辊径向喂入动刀与定刀板之间间隙。由于动刀高速旋转，叶片在动刀的不断打击作用下，表皮和纤维周围的茎肉组织被破，成为碎渣与纤维分离或夹粘在纤维之间。叶片变得松软，失去刚性；松软的叶片在空气动力、动刀打击力和定刀反弹力的共同作用下产生强烈的波浪式振动。一边抖出夹在纤维中间的麻渣，一边与动刀碰撞继续接受打击；当喂入到叶片长度一半左右时，反拉过程中同时动刀紧贴纤维沿纤维方向将打击和振动后被破。拦出的麻渣和少数未被破坏的青皮刮离纤维，使纤维与叶片肉组织进一步得到分离，从而得到干净的纤维。然后，把麻片调转过来，紧握住已刮净的纤维端，将另外一端麻片喂入刮麻机。刮麻中重复上述工作原理，从而完成整个刮麻过程。
1.3 剑麻刮麻机主要参数的确定
1.3.1 刀辊直径的确定
剑麻叶片沿刀辊切线方向运动，为了避免在动刀和定刀板间不重复受打击和振动作用，必须满足下列条件：
L≤1/4πD（1）
式中，L为剑麻喂入刮麻区的长度，一般取喂入长度的1/2，整片剑麻长度一般为1 100～1 500 mm，较长为
1 600～1 800 mm，取最大值1 800 mm，则L=900 mm；D为刀辊直径（mm）。
则由（1）式可计算刀辊直径D≥1 146 mm，可见，刀辊直径较大，对于需要移动作业的刮麻机来说是不适宜的。
为此，采用缩小定刀板包角，以减少刮麻区长度，使叶片通过刮麻区时尚有部分碎渣而下垂，离开刀辊，在往回拉出时再刮干净的方案。现取刀辊直径为500 mm，并经试验验证，其结构较小而刮麻质量好。
1.3.2 刀辊宽度的确定
在刀辊直径一定时，其宽度、长短决定喂入方便和动力消耗大小。宽度长喂入方便但动力消耗也大，而宽度短如两人操作时喂入困难。并经试验验证，选取刀辊宽度为700 mm。
1.3.3 定刀板尺寸的确定
由于刮麻原理是片状叶片在刮麻机动刀和定刀板间重复受打击和振动作用完成。因此，定刀板尺寸直接影响着刮麻质量和动力消耗，应通过试验和理论分析来选择合适的尺寸。
1.4 试验方法及性能指标
①试验方法。采用可调速电机和选择不同动刀数量和高度，进行正交试验，以此确定最佳的动刀数量和高度及最佳刀辊线速度。选择不同的动刀与定刀板之间间隙及不同定刀板的包角等进行单因素对比试验，以确定合适的间隙和定刀板的包角。
②试验原料及处理。试验用原料每片剑麻叶片平均长度1.3 m，每百片重量约120 kg。每次试验用原料20 kg，每种组合处理重复三次试验，各项指标取平均值。
③试验装置。试验用6JMG-500型剑麻刮麻机刀辊的直径为500 mm，宽度为700 mm；动刀数量分别为10把、12把、14把；动刀高度分别为30 mm、35 mm、40 mm；定刀板的包角分别为20°、25°、30°、35°，动刀与定刀板之间间隙分别为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm。 2 结果与分析
2.1 刮麻正交试验与极差分析
正交试验的因素如表1所示，试验结果见表2。
该试验属于多指标正交试验，为便于分析，采用加权评分法将两个性能指标化为综合加权计算指标。根据生产经验和各性能指标的重要性，确定纤维制得率、纤维含杂率的权值分别为70、-30，则计算系数分别为10.44、-37.36，以此计算得综合加权指标值Yi列入表2。利用极差分析法对试验结果。综合加权指标进行分析得到：影响刮麻性能的主次因素为A、B、C，最优组合为A2B2C2，即刀辊上排列的动刀数量为12把，动刀高度35 mm，线速度为24.5 m/s时，纤维制得率最高而纤维含杂率较低，刮麻质量最好。线速度的影响：当线速度较大时，动刀打击次数多，导致束纤维被撕裂，造成短乱纤维多而影响纤维制得率。当线速度较小时，动刀打击次过少，导至纤维中残留青皮和其它杂质偏多，影响纤维质量。因此，动刀线速度24.5 m/s为合适。
2.2 定刀板的包角对刮麻性能的影响
在刀辊转速及动刀数量、高度等相同条件下，不同定刀的包角对刮麻性能影响结果：定刀板包角大，作用距离长，叶片在动刀和定刀板间重复受到的打击和振动作用力强而刮麻较干净。但操作时拉力大，动力消耗也大，纤维制得率也低；反之定刀板包角小，作用距离短。叶片在动刀和定刀板间重复受到的打击和振动作用力弱，刮麻不干净。从试验数据看，应选择定刀板包角为30°。
2.3 动刀与定刀板之间间隙对刮麻性能的影响
在刀辊转速及动刀数量、高度等相同条件下，不同动刀与定刀板之间间隙对刮麻性能影响结果：动刀与定刀板之间间隙小，叶片在其之间重复受到的打击和振动作用力强而刮麻较干净。但动力消耗也大，纤维制得率也低；反之间隙大，叶片在其之间重复受到的打击和振动作用力弱，刮麻不干净，且喂入麻叶片困难。从试验数据看，动刀与定刀板之间间隙为2.5～3.0 mm为合适。
3 结 论
①剑麻刮麻机是由等距离排列的动刀紧固在园筒体上与弧形状弯板的定刀板为主要工作部件组成。剑麻叶片在动刀和定刀板间隙内不断地被打击、振动和刮削而制成纤维。
②通过理论分析并结合试验得出影响6JMG-500型剑麻刮麻机的主要因素是：动刀数量、动刀高度和动刀线速度。对刮麻机影响程度大小依次是：动刀数量、动刀高度、动刀线速度，其基本结构及主要参数为：刀辊直径为500 mm、刀辊宽度为700 mm、定刀板的包角约为30°、动刀与定刀板之间间隙为2.5～3.0 mm、动刀数量12把、动刀高度35 mm、动刀线速度24.5 m/s。
参考文献：
[1] 黄富宇.广西农垦剑麻发展现状与对策[J].热带农业工程，2010，34（4）：105-106.
[2] 刘明举，薛华.广西剑麻科研生产现状与发展对对策[J].中国麻业，2002.24（1）：43-45.
[3] 周文钊，张燕梅，陆军迎.“十二五”剑麻科技发展趋势与建议[J].热带农业工程，2011，35（3）：49-52.
[4] 李明福，张劲，欧忠庆，等.小型菠萝叶刮麻机刮麻特性的试验研究[J].热带农业工程，2001，（4）：12-14.
[5] 郭成建.热带作物加工机械学[M].北京：农业出版社，1989.
关键词：剑麻纤维；刮麻机；刀辊；试验
中图分类号：S226.79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0036-02
剑麻是一种常见的龙舌兰属植物，是多年生叶纤维的热带作物。原产于中美洲的热带、亚热带地区，具有喜温耐旱、生长适应性强、收获期长等特点。作为多年生叶纤维作物，剑麻是当今我国用量大、范围很广的一种硬质纤维。广泛应用于渔航、工矿、运输等行业所需的各种规格的绳缆、钢丝绳芯、抛光轮布、地毯、纸桨、电容纸桨等。同时，利用剑麻加工纤维后的废渣可提取剑麻皂素，是甾体药物的重要原料。我国是剑麻的主要生产国之一，主要分布在广东、广西、四川、云南、福建、海南等热带和亚热带地区，经过几十年的发展，国内剑麻已形成较大规模，剑麻纤维产量已位居世界第2位。
剑麻的初加工机械早于20世纪70年代中期，我国已形成大型机械刮麻加工生产线，日加工量约200 t左右。主要加工设备包括排麻输送机、齐头机、刮麻机、纤维压水机、纤维抛光机、纤维干燥设备、纤维打包机及乱纤维回收机等。大型刮麻机生产线，适合于剑麻种植面积大和较集中的生产基地，进行专业化生产。而小型刮麻机具有结构合理、简便紧奏、移动方便、不受高压电线路的限制、造价低，纤维制得率高，作业成本相对较低，而深受个体分散农户的欢迎。当前，非常适宜山区和分散剑麻、番麻种植农户需求。现对设计的6JMG-500型剑麻刮麻机的结构特点进行分析，对其试验进行总结。
本机械适用于加工剑麻、番麻鲜叶片，长度约600～1 400 mm。
1 材料与方法
1.1 6JMG-500型剑麻刮麻机结构特点
6JMG-500型剑麻刮麻机的结构：只要由机架、电动机（或柴油机）、定刀板、刀辊、刀轮罩等组成。主要工作部件为刀辊和定刀板，刀辊是由等距离排列的动刀用螺栓紧固在圆筒体上。动刀主要起打击、振动和刮削作用。定刀板为弧形状弯板，其结构特点是定刀板采用一定弧形状弯板代替传统的直角板，并保证与动刀圆弧相配合。使叶片在刮麻时能被均匀、连续地打击、振动。避免了传统上所采用的直角板，直角板只能在直角位置被打击，但存在振动不足的弊端。并增加叶片被打击的次数，减少动刀对叶片的刮削力，加工纤维不易断裂，提高纤维制得率。
1.2 工作过程和刮麻原理
刮麻时，操作人员紧握住剑麻叶片稍部一端，将基部一端沿刀辊径向喂入动刀与定刀板之间间隙。由于动刀高速旋转，叶片在动刀的不断打击作用下，表皮和纤维周围的茎肉组织被破，成为碎渣与纤维分离或夹粘在纤维之间。叶片变得松软，失去刚性；松软的叶片在空气动力、动刀打击力和定刀反弹力的共同作用下产生强烈的波浪式振动。一边抖出夹在纤维中间的麻渣，一边与动刀碰撞继续接受打击；当喂入到叶片长度一半左右时，反拉过程中同时动刀紧贴纤维沿纤维方向将打击和振动后被破。拦出的麻渣和少数未被破坏的青皮刮离纤维，使纤维与叶片肉组织进一步得到分离，从而得到干净的纤维。然后，把麻片调转过来，紧握住已刮净的纤维端，将另外一端麻片喂入刮麻机。刮麻中重复上述工作原理，从而完成整个刮麻过程。
1.3 剑麻刮麻机主要参数的确定
1.3.1 刀辊直径的确定
剑麻叶片沿刀辊切线方向运动，为了避免在动刀和定刀板间不重复受打击和振动作用，必须满足下列条件：
L≤1/4πD（1）
式中，L为剑麻喂入刮麻区的长度，一般取喂入长度的1/2，整片剑麻长度一般为1 100～1 500 mm，较长为
1 600～1 800 mm，取最大值1 800 mm，则L=900 mm；D为刀辊直径（mm）。
则由（1）式可计算刀辊直径D≥1 146 mm，可见，刀辊直径较大，对于需要移动作业的刮麻机来说是不适宜的。
为此，采用缩小定刀板包角，以减少刮麻区长度，使叶片通过刮麻区时尚有部分碎渣而下垂，离开刀辊，在往回拉出时再刮干净的方案。现取刀辊直径为500 mm，并经试验验证，其结构较小而刮麻质量好。
1.3.2 刀辊宽度的确定
在刀辊直径一定时，其宽度、长短决定喂入方便和动力消耗大小。宽度长喂入方便但动力消耗也大，而宽度短如两人操作时喂入困难。并经试验验证，选取刀辊宽度为700 mm。
1.3.3 定刀板尺寸的确定
由于刮麻原理是片状叶片在刮麻机动刀和定刀板间重复受打击和振动作用完成。因此，定刀板尺寸直接影响着刮麻质量和动力消耗，应通过试验和理论分析来选择合适的尺寸。
1.4 试验方法及性能指标
①试验方法。采用可调速电机和选择不同动刀数量和高度，进行正交试验，以此确定最佳的动刀数量和高度及最佳刀辊线速度。选择不同的动刀与定刀板之间间隙及不同定刀板的包角等进行单因素对比试验，以确定合适的间隙和定刀板的包角。
②试验原料及处理。试验用原料每片剑麻叶片平均长度1.3 m，每百片重量约120 kg。每次试验用原料20 kg，每种组合处理重复三次试验，各项指标取平均值。
③试验装置。试验用6JMG-500型剑麻刮麻机刀辊的直径为500 mm，宽度为700 mm；动刀数量分别为10把、12把、14把；动刀高度分别为30 mm、35 mm、40 mm；定刀板的包角分别为20°、25°、30°、35°，动刀与定刀板之间间隙分别为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm。 2 结果与分析
2.1 刮麻正交试验与极差分析
正交试验的因素如表1所示，试验结果见表2。
该试验属于多指标正交试验，为便于分析，采用加权评分法将两个性能指标化为综合加权计算指标。根据生产经验和各性能指标的重要性，确定纤维制得率、纤维含杂率的权值分别为70、-30，则计算系数分别为10.44、-37.36，以此计算得综合加权指标值Yi列入表2。利用极差分析法对试验结果。综合加权指标进行分析得到：影响刮麻性能的主次因素为A、B、C，最优组合为A2B2C2，即刀辊上排列的动刀数量为12把，动刀高度35 mm，线速度为24.5 m/s时，纤维制得率最高而纤维含杂率较低，刮麻质量最好。线速度的影响：当线速度较大时，动刀打击次数多，导致束纤维被撕裂，造成短乱纤维多而影响纤维制得率。当线速度较小时，动刀打击次过少，导至纤维中残留青皮和其它杂质偏多，影响纤维质量。因此，动刀线速度24.5 m/s为合适。
2.2 定刀板的包角对刮麻性能的影响
在刀辊转速及动刀数量、高度等相同条件下，不同定刀的包角对刮麻性能影响结果：定刀板包角大，作用距离长，叶片在动刀和定刀板间重复受到的打击和振动作用力强而刮麻较干净。但操作时拉力大，动力消耗也大，纤维制得率也低；反之定刀板包角小，作用距离短。叶片在动刀和定刀板间重复受到的打击和振动作用力弱，刮麻不干净。从试验数据看，应选择定刀板包角为30°。
2.3 动刀与定刀板之间间隙对刮麻性能的影响
在刀辊转速及动刀数量、高度等相同条件下，不同动刀与定刀板之间间隙对刮麻性能影响结果：动刀与定刀板之间间隙小，叶片在其之间重复受到的打击和振动作用力强而刮麻较干净。但动力消耗也大，纤维制得率也低；反之间隙大，叶片在其之间重复受到的打击和振动作用力弱，刮麻不干净，且喂入麻叶片困难。从试验数据看，动刀与定刀板之间间隙为2.5～3.0 mm为合适。
3 结 论
①剑麻刮麻机是由等距离排列的动刀紧固在园筒体上与弧形状弯板的定刀板为主要工作部件组成。剑麻叶片在动刀和定刀板间隙内不断地被打击、振动和刮削而制成纤维。
②通过理论分析并结合试验得出影响6JMG-500型剑麻刮麻机的主要因素是：动刀数量、动刀高度和动刀线速度。对刮麻机影响程度大小依次是：动刀数量、动刀高度、动刀线速度，其基本结构及主要参数为：刀辊直径为500 mm、刀辊宽度为700 mm、定刀板的包角约为30°、动刀与定刀板之间间隙为2.5～3.0 mm、动刀数量12把、动刀高度35 mm、动刀线速度24.5 m/s。
参考文献：
[1] 黄富宇.广西农垦剑麻发展现状与对策[J].热带农业工程，2010，34（4）：105-106.
[2] 刘明举，薛华.广西剑麻科研生产现状与发展对对策[J].中国麻业，2002.24（1）：43-45.
[3] 周文钊，张燕梅，陆军迎.“十二五”剑麻科技发展趋势与建议[J].热带农业工程，2011，35（3）：49-52.
[4] 李明福，张劲，欧忠庆，等.小型菠萝叶刮麻机刮麻特性的试验研究[J].热带农业工程，2001，（4）：12-14.
[5] 郭成建.热带作物加工机械学[M].北京：农业出版社，1989.